白俊峰，王安妮，郭鵬，梁盈，史天翔，張淇

離心壓縮機(jī)風(fēng)筒內(nèi)壁鑲嵌小尺寸防腐襯板工藝方法研究

白俊峰，王安妮，郭鵬，梁盈，史天翔，張淇

（沈鼓集團(tuán)股份有限公司 透平工藝部，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

酸性介質(zhì)離心壓縮機(jī)機(jī)殼風(fēng)筒內(nèi)壁鑲嵌防腐襯板能有效提升機(jī)組的耐腐蝕性。通過(guò)梳理離心壓縮機(jī)風(fēng)筒內(nèi)壁鑲嵌小尺寸防腐襯板工藝方法及3 mm襯板單件加工存在的實(shí)際問(wèn)題，分析傳統(tǒng)工藝方案所造成的防腐襯板“鼓包”問(wèn)題原因。以有限元理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用切削力原理和靜力學(xué)分析方法，計(jì)算傳統(tǒng)工藝方案和一次加工成型方案中不同厚度襯板單件加工最大理論變形量，將理論變形量進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化并制定風(fēng)筒內(nèi)壁鑲嵌小尺寸防腐襯板的工藝方案，同時(shí)將傳統(tǒng)工藝方案和優(yōu)化后工藝方案進(jìn)行制造成本對(duì)比，并對(duì)優(yōu)化后工藝方案進(jìn)行實(shí)際加工驗(yàn)證。該研究為小尺寸防腐襯板的加工提供了理論依據(jù)，同時(shí)為解決防腐襯板“鼓包”問(wèn)題奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。

離心壓縮機(jī)；風(fēng)筒；防腐襯板；鼓包；靜力學(xué)分析

承載高壓力介質(zhì)的離心壓縮機(jī)的機(jī)殼材料通常選用碳鋼材質(zhì)，其強(qiáng)度較高，且價(jià)格便宜。針對(duì)二氧化碳、硫化氫等酸性介質(zhì)的離心壓縮機(jī)，若介質(zhì)中組分含水，則酸性介質(zhì)遇水成酸，對(duì)碳鋼有較大的腐蝕性。為強(qiáng)化離心壓縮機(jī)機(jī)殼抗腐蝕能力，通常需要在機(jī)殼內(nèi)部堆焊不銹鋼防腐層或焊接不銹鋼防腐襯板，其中不銹鋼相比于碳鋼具有良好的耐酸性[1]。目前，針對(duì)產(chǎn)生腐蝕性氣體的離心壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上多采用堆焊304耐蝕合金，其中進(jìn)、出風(fēng)筒以及筒體開(kāi)孔內(nèi)部采用鑲嵌304不銹鋼耐蝕襯板方案，工藝上采用拼裝、焊接方法加以固定[2]，但在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中，鑲嵌在機(jī)殼風(fēng)筒內(nèi)壁的小尺寸防腐襯板在精加工后會(huì)出現(xiàn)局部“鼓包”情況，造成質(zhì)量問(wèn)題，最終返修處理。

1 小尺寸防腐襯板傳統(tǒng)加工工藝方案

針對(duì)離心壓縮機(jī)風(fēng)筒內(nèi)壁的防腐處理工藝，通常是將不銹鋼板材卷制成型，以焊接的方式將其鑲嵌在風(fēng)筒內(nèi)壁，形成防腐襯板。常規(guī)防腐襯板的厚度為3 mm，如圖1所示[3]。

當(dāng)風(fēng)筒內(nèi)孔直徑小于100 mm時(shí)，不銹鋼板材卷制成型困難，且由于內(nèi)孔尺寸過(guò)小，焊接操作者在小孔內(nèi)施焊操作不便。因此針對(duì)小尺寸的防腐襯板，常規(guī)下料方案為采用不銹鋼棒料鋸切而成。

根據(jù)防腐襯板設(shè)計(jì)圖紙尺寸公差要求，防腐襯板單件的直徑尺寸極限偏差為±0.10 mm。實(shí)際生產(chǎn)中，3 mm壁厚的不銹鋼防腐襯板在單件精加工后經(jīng)常出現(xiàn)直徑尺寸超差，這導(dǎo)致了防腐襯板在與風(fēng)筒內(nèi)壁鑲嵌的過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)法將襯板安裝到位的情況，因此在實(shí)際生產(chǎn)操作中不再將防腐襯板一次加工成型。

風(fēng)筒內(nèi)壁鑲嵌防腐襯板的傳統(tǒng)工藝方案為，先將棒料粗加工后焊接鑲嵌至機(jī)殼上，再應(yīng)用鏜床將其加工至圖紙尺寸。即將防腐襯板單件在圖紙要求的3 mm壁厚基礎(chǔ)上單邊預(yù)留2～3 mm余量，將防腐襯板通過(guò)焊接的方式鑲嵌在風(fēng)筒內(nèi)部，最后利用鏜床平旋盤對(duì)防腐襯板進(jìn)行精加工，將襯板單邊預(yù)留的2～3 mm余量鏜削去除。鏜削加工襯板過(guò)程如圖2所示。

1.已鑲嵌至風(fēng)筒內(nèi)壁的不銹鋼防腐襯板。

圖1 離心壓縮機(jī)風(fēng)筒及3 mm壁厚防腐襯板示意圖

1.離心壓縮機(jī)風(fēng)筒；2.防腐襯板（包含精加工前需要加工去除的余量）；3.鏜床刀具；4.鏜床滑枕；5.機(jī)床工作臺(tái)面。

圖2 采用鏜床加工機(jī)殼風(fēng)筒內(nèi)防腐襯板示意圖

2 襯板“鼓包”問(wèn)題分析

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)工藝方案鑲嵌襯板的離心壓縮機(jī)風(fēng)筒內(nèi)壁偶爾會(huì)出現(xiàn)“鼓包”情況，“鼓包”位置通常位于風(fēng)筒內(nèi)壁的襯板局部，如圖3所示。通過(guò)拆卸、測(cè)量“鼓包”的防腐襯板，發(fā)現(xiàn)襯板存在厚度不均情況，同時(shí)，“鼓包”部位的襯板厚度遠(yuǎn)不足圖紙規(guī)定的3 mm。

分析研究發(fā)現(xiàn)，造成上述現(xiàn)象的原因如下：在鏜床精加工風(fēng)筒內(nèi)孔防腐襯板時(shí)，加工襯板的中心基準(zhǔn)通過(guò)風(fēng)筒法蘭端面的密封面止口及風(fēng)筒襯板內(nèi)壁確定，然而機(jī)殼筒體風(fēng)口與風(fēng)筒均為獨(dú)立件加工好后焊接而成，筒體風(fēng)口與風(fēng)筒內(nèi)壁同軸度無(wú)法保證，所以防腐襯板的實(shí)際中心位置較難定位。同時(shí)，襯板為薄壁件，將襯板焊接鑲嵌后會(huì)出現(xiàn)襯板與風(fēng)筒內(nèi)壁服帖程度不佳的情況。綜上，在鏜床精加工襯板時(shí)就會(huì)出現(xiàn)去除襯板余量不等的情況，造成襯板厚度不均，使得襯板較薄的部位出現(xiàn)“鼓包”現(xiàn)象。即，造成襯板“鼓包”的主要原因?yàn)橐r板鑲嵌后存在變形，以及鏜床加工中心定位不準(zhǔn)確。因此原工藝方案在制造過(guò)程中存在質(zhì)量隱患，需研究一種防腐襯板焊接鑲嵌在風(fēng)筒法蘭內(nèi)壁后無(wú)需再進(jìn)行加工的工藝方案，以杜絕“鼓包”問(wèn)題再次出現(xiàn)。

圖3 防腐襯板“鼓包”位置

3 襯板的加工靜力學(xué)分析

鑒于小尺寸防腐襯板為薄壁件，加工變形是影響其尺寸精度的重要原因，因此以襯板單件車削加工作為研究對(duì)象，利用有限元方法對(duì)防腐襯板進(jìn)行裝夾及切削靜力學(xué)分析，對(duì)比襯板傳統(tǒng)工藝方案以及一次加工成型方案中車削過(guò)程對(duì)襯板形變的影響，探索不同壁厚防腐襯板單件一次加工成型的可行性[4]。

3.1 傳統(tǒng)工藝方案襯板單件加工變形量

傳統(tǒng)工藝方案的襯板單件結(jié)構(gòu)為襯板內(nèi)孔尺寸在設(shè)計(jì)尺寸的基礎(chǔ)上，留有一定加工余量，襯板小端內(nèi)孔直徑與大端內(nèi)孔直徑相等即可，如圖4所示。根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化信息后設(shè)計(jì)尺寸如表1所示。

襯板在車削加工過(guò)程中受到切削力和裝夾力的影響?？紤]到襯板為薄壁件，相比于小進(jìn)給、小切深所產(chǎn)生的切削力，較大的裝夾力是影響襯板變形的主要因素。因此，通過(guò)對(duì)襯板進(jìn)行三維建模，再利用ANSYS Workbench在襯板外圓處施加四處夾緊力載荷來(lái)模擬車床四爪夾盤對(duì)防腐襯板的裝夾作用，計(jì)算分析裝夾力對(duì)襯板變形的影響[5-6]。

圖4 襯板原工藝方案二維圖

表1 傳統(tǒng)工藝方案襯板尺寸

注：襯板長(zhǎng)度為384 mm。

裝夾力受到切削力、工件離心力、工件自重等影響，本文假設(shè)車床四爪夾盤在裝夾棒料至車削其達(dá)要求尺寸后不做調(diào)整變化，即假定每個(gè)夾爪針對(duì)防腐襯板的預(yù)緊力載荷始終為2000 N。

切削力可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算[7-8]：

加工材料選用不銹鋼，刀具材料選用硬質(zhì)合金，通過(guò)查詢“計(jì)算車削切削力的指數(shù)公式中的系數(shù)和指數(shù)”表格[6]可知：

由于計(jì)算車削切削力的指數(shù)公式中的系數(shù)和指數(shù)表格針對(duì)不銹鋼材料缺少背向力和進(jìn)給力的系數(shù)和指數(shù)，所以本文以結(jié)構(gòu)鋼材料的系數(shù)和指數(shù)數(shù)據(jù)作為計(jì)算背向力和進(jìn)給力的替代數(shù)據(jù)，查詢可知[6]：

將上述參數(shù)代入式（1），計(jì)算得：

施加載荷后的防腐襯板受力如圖5所示[10]，變形云圖如圖6所示。最大變形量為0.091 mm。

圖5 襯板施加載荷示意圖

圖6 施加載荷后襯板變形云圖

3.2 一次加工成型襯板單件加工變形量

一次加工成型的襯板結(jié)構(gòu)襯板所有位置壁厚均保持一致，如圖7所示。

圖7 襯板一次加工成型方案二維圖

壁厚3 mm襯板的尺寸如表2所示。

表2 一次加工成型方案襯板尺寸

注：襯板長(zhǎng)度為384 mm，壁厚為3 mm。

在相同的裝夾力2000 N的作用下，通過(guò)靜力學(xué)分析模擬計(jì)算，得到襯板最大變形量達(dá)到0.144 mm，如圖8所示。

圖8 施加載荷后襯板變形云圖（壁厚3 mm）

對(duì)比上述兩種不同方案的襯板加工變形量，壁厚3 mm襯板一次加工成型方案的加工變形量是傳統(tǒng)加工方案變形量的1.5倍，佐證了3 mm壁厚襯板加工的傳統(tǒng)工藝方案優(yōu)于一次成型加工方案。經(jīng)分析，兩者產(chǎn)生的變形均為彈性形變，因此3 mm壁厚襯板結(jié)構(gòu)的剛性低于傳統(tǒng)工藝方案襯板結(jié)構(gòu)。由于加工過(guò)程中工件過(guò)大的彈性形變會(huì)降低工件加工后的尺寸精度，因此需要增加一次加工成型方案中襯板的壁厚以提升其剛性[12]。在襯板內(nèi)孔尺寸不變的情況下，假定將壁厚分別向外延伸至4 mm和5 mm，襯板尺寸如表3所示。

表3 不同壁厚下一次加工成型方案襯板尺寸

注：襯板長(zhǎng)度為384 mm。

參照3 mm壁厚襯板的車削加工，在加工參數(shù)和裝夾力均不變的情況下對(duì)4 mm和5 mm壁厚的襯板進(jìn)行靜力學(xué)分析模擬計(jì)算，變形云圖如圖9所示，得到襯板最大變形量分別為0.094 mm和0.069 mm。

圖9 不同壁厚下施加載荷后襯板應(yīng)力云圖

3.3 對(duì)比及分析

對(duì)傳統(tǒng)加工方案和三種不同壁厚的小尺寸防腐襯板進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)比不同方案的襯板車削變形量，如圖10所示?？梢钥闯觯? mm壁厚襯板一次加工成型變形量與傳統(tǒng)襯板加工方案變形量接近，但5 mm壁厚襯板車削加工變形量比3 mm和4 mm壁厚方案小?？梢缘贸鼋Y(jié)論，4 mm和5 mm壁厚襯板的單件一次加工成型方案均可作為傳統(tǒng)加工方案的替代方案，其中5 mm壁厚襯板的單件加工方案最優(yōu)。

圖10 襯板單件不同制造方案車削變形量對(duì)比圖

4 小尺寸防腐襯板加工優(yōu)化方案

4.1 優(yōu)化方案

襯板一次加工成型方案可有效避免“鼓包”現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)，5 mm壁厚襯板加工的變形量小于傳統(tǒng)工藝方案，因此優(yōu)化后的防腐襯板加工方案為，采用5 mm壁厚的襯板進(jìn)行一次加工成型，并將原壓縮機(jī)風(fēng)筒法蘭內(nèi)孔直徑增加4 mm，最后將襯板與風(fēng)筒內(nèi)壁進(jìn)行焊接鑲嵌，如圖11所示。

4.2 成本對(duì)比

以上述襯板為例，評(píng)估兩種方案的制造成本。該制造成本由兩部分組成，分別為原材料成本和加工成本。針對(duì)傳統(tǒng)工藝方案中將防腐襯板預(yù)先留余量再進(jìn)行鏜削的加工方案，防腐襯板選用材料為S30408的棒料，下料尺寸為120 mm×404 mm，原材料市場(chǎng)價(jià)格約700元，采用普通臥式車床車削的加工費(fèi)用約200元，采用數(shù)控鏜床精鏜的加工費(fèi)用約2000元，因此傳統(tǒng)襯板加工方法的總制造成本約為2900元。

將防腐襯板直接加工成型后再焊接至風(fēng)筒內(nèi)壁的加工方案，以5 mm壁厚襯板為例，防腐襯板材料、下料尺寸、原材料市場(chǎng)價(jià)格、普通臥式車床車削的加工費(fèi)用都不變，省去精鏜工序所產(chǎn)生的費(fèi)用，因此襯板一次加工成型方案的總制造成本約為900元。

對(duì)比可知，以棒料為原材料的襯板一次加工成型方案制造成本是傳統(tǒng)加工方案的三分之一，因此采用5 mm壁厚襯板一次加工成型后直接焊接鑲嵌至風(fēng)筒內(nèi)壁的方案，不僅可以避免“鼓包”問(wèn)題，同時(shí)制造成本低廉，且通過(guò)減少加工工序縮短了實(shí)際生產(chǎn)制造周期。

4.3 加工驗(yàn)證

對(duì)5 mm壁厚防腐襯板進(jìn)行實(shí)際車削加工驗(yàn)證，如圖12所示。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，加工后尺寸均在公差范圍之內(nèi)，與理論計(jì)算變形量相符，證明了優(yōu)化后方案的實(shí)際加工可行性。同時(shí)，通過(guò)焊接方法將5 mm壁厚防腐襯板鑲嵌至風(fēng)筒內(nèi)壁，未出現(xiàn)操作困難和質(zhì)量不良的問(wèn)題，優(yōu)化后的理論方案得到了有效驗(yàn)證。

圖11 離心壓縮機(jī)風(fēng)筒及5 mm壁厚防腐襯板示意圖

圖12 防腐襯板的車削加工過(guò)程及成品

5 結(jié)論

通過(guò)梳理酸性介質(zhì)離心壓縮機(jī)機(jī)殼風(fēng)筒內(nèi)壁鑲嵌小尺寸不銹鋼防腐襯板工藝方法，分析了傳統(tǒng)工藝方案中造成防腐襯板“鼓包”的原因，通過(guò)對(duì)小尺寸防腐襯板進(jìn)行三維建模，利用有限元分析方法計(jì)算得出了襯板的傳統(tǒng)工藝方案和一次加工成型車削加工方案的最大變形量。通過(guò)對(duì)比得出，襯板壁厚為5 mm時(shí)的一次成型加工理論變形量小于傳統(tǒng)工藝方案加工變形量。通過(guò)成本對(duì)比和實(shí)際加工論證了小尺寸防腐襯板一次加工成型工藝方案的可行性。實(shí)現(xiàn)了對(duì)離心壓縮機(jī)風(fēng)筒內(nèi)壁鑲嵌小尺寸防腐襯板工藝方法的優(yōu)化，解決了小尺寸防腐襯板“鼓包”問(wèn)題。

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Processing Method of Inlaid Small Size Anti-corrosion Lining Plate on the Inner Wall of Air Duct for Centrifugal Compressor

BAI Junfeng，WANG Anni，GUO Peng，LIANG Ying，SHI Tianxiang，ZHANG Qi

(ProcessingDepartment,Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110869, China )

The application of inlaid anti-corrosion lining plate on the inner wall of air duct of the acid medium centrifugal compressor can effectively improve the corrosion resistance of the unit. The process method of and the actual problems existing in the processing of single piece of 3mm lining plate were reviewed. The causes of the “bulge” problem for the lining plate caused by traditional process method were analyzed. The cutting force principle and the static mechanics analysis method were used to calculate the maximum theoretical deformation for single piece of lining plate in both traditional process and single process forming based on the finite element theory. The process program was optimized and formulated by the comparative analysis of theoretical deformation. The manufacturing cost was compared between the traditional process method and the optimized process method, and the optimized process method was verified by actual processing. The theoretical basis for the processing of small-size anti-corrosion lining plate can be provided, which lays the practical foundation for solving the problem of “bugle” of anti-corrosion lining plate.

centrifugal compressor；air duct；anti-corrosion lining plate；bulge；statics analysis

TH452

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.12.010

1006-0316 (2023) 12-0060-06

2023-04-12

白俊峰（1987－），男，遼寧沈陽(yáng)人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡x心式壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件工藝設(shè)計(jì)，E-mail：29408119@qq.com。